操作系统第四章-存储器管理

4.1 内存的基本知识

4.1.1 逻辑地址和物理地址

逻辑地址又称为相对地址
物理地址又称为绝对地址

一. 逻辑地址

内存中有多个进程,相对地址是相对于进程的起始地址而言的地址.

二.物理地址

绝对地址是在整个内存下的地址

4.2 程序的装入和链接

引入:用户程序要在系统中运行,必须先将它装入内存,然后再将其转变为一个可以执行程序,通常需要以下几个步骤:
编译--------->链接--------->装入
编译:高级语言翻译为机器语言,由源代码文件生成目标模块.
链接:链接后形成完整的逻辑地址,目标模块生成装入模块.
装入:装入后形成物理地址,装入模块装入内存.

4.2.1 链接的三种方式

静态链接:在程序运行之前,先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件（装入模块)，之后不再拆开。
装入时动态链接:将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式。
运行时动态链接·在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。

4.2.2 装入的三种方式(该节重点)

绝对装入:在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。

• 绝对装入只适用于早期的单道程序阶段,此时还没有产生操作系统

静态重定位:又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从O开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的)。

• 用于早期的多道批处理操作系统

动态重定位:又称动态运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从o开始的。装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持。

• 用于现代操作系统

4.3 内存管理

引入:
内存管理的目标(内存管理要做什么):
(1)内存空间的分配与回收
(2)内存空间的扩充（实现虚拟性)
(3)地址转换
(4)存储保护

4.3.1 内存保护

内存保护可采取两种方法:
方法一:在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放进程的上、下限地址。进程的指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界。
方法二:采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和界地址寄存器(又称限长寄存器）进行越界检查。重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。

4.3.2 连续分配管理方式

一.单一连续分配

在单一连续分配方式中，内存被分为系统区和用户区。系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据;用户区用于存放用户进程相关数据。
内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间。
优点:实现简单;无外部碎片;可以采用覆盖技术扩充内存;不一定需要采取内存保护
缺点:只能用于单用户、单任务的操作系统中;有内部碎片;存储器利用率极低。

二.固定分区分配

背景:多道程序系统
20世纪60年代出现了支持多道程序的系统,为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业，这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。

两种形式:分区大小相等或分区大小不等

分区大小相等:缺乏灵活性，但是很适合用于用一台计算机控制多个相同对象的场合（比如:钢铁广有n个相同的炼钢炉，就可把内存分为n个大小相等的区域存放n个炼钢炉控制程序)
分区大小不等:增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求。根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分(比如:划分多个小分区、适量中等分区、少量大分区)

操作系统需要建立一个数据结构―一分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。每个表项对应一个分区，通常按分区大小排列。每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态（是否已分配）。

优点:实现简单，无外部碎片。
缺点: a.当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能; b.会产生内部碎片，内存利用率低。

三.动态分区分配

动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统分区的大小和数目是可变的。
动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片。

内部碎片，分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上。外部碎片，是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用。如果内存中空闲空间的总和本来可以满足某进程的要求，但由于进程需要的是一整块连续的内存空间，因此这些“碎片”不能满足进程的需求。

可以通过紧凑（拼凑，Compaction)技术来解决外部碎片。

4.3.3 回收内存分区

回收内存分区时，可能遇到四种情况

• 回收区之后有相邻的空闲分区
• 回收区之前有相邻的空闲分区
• 回收区前、后都有相邻的空闲分区
• 回收区前、后都没有相邻的空闲分区

4.3.3 动态分区分配算法

一.首次适应算法

算法思想:每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区。
如何实现:空闲分区以地址递增的次序排列。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

二.最适应算法

算法思想:由于动态分区分配是一种连续分配方式、为各进程分配的空间必须是连续的一整片区域。因此为了保证当“大进程”到来时能有连续的大片空间，可以尽可能多地留下大片的空闲区，即，优先使用更小的空闲区。

三.最坏适应算法

又称最大适应算法（ Largest Fit）
算法思想:为了解决最佳适应算法的问题――即留下太多难以利用的小碎片，可以在每次分配时优先使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余的空闲区就不会太小，更方便使用。
如何实现:空闲分区按容量递减次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

四.邻近适应算法

算法思想:首次适应算法每次都从链头开始查找的。这可能会导致低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次分配查找时，都要经过这些分区，因此也增加了查找的开销。如果每次都从上次查找结束的位置开始检索，就能解决上述问题。
如何实现:空闲分区以地址递增的顺序排列（可排成一个循环链表）。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链（或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

总结: